Учёные обнаружили разнообразные морские микробы с потенциалом для создания новых антибиотиков и разложения пластика
Новое исследование показывает, как океаны могут быть использованы для решения таких серьёзных проблем, как нехватка противомикробных препаратов, поиск решений для пластикового загрязнения и новых ферментов для редактирования генома.
За последние 20 лет учёные значительно увеличили количество собранных из океана микробных геномов. Однако использование этой информации в биотехнологии и медицине было затруднено.
В новом исследовании, проведённом под руководством BGI Research (Китай) в сотрудничестве с Шаньдунским университетом, Сямыньским университетом, Океанологическим университетом Китая (OUC), Копенгагенским университетом (Дания) и Университетом Восточной Англии (UEA, Великобритания), исследователи проанализировали почти 43 200 геномов микроорганизмов (бактерий, архей) из морских образцов, обнаружив широкий диапазон разнообразия с 138 различными группами.
Исследование даёт новое понимание того, как эволюционируют размеры геномов и, например, как морские микробы балансируют наличие систем CRISPR-Cas — части их иммунной защиты — с генами устойчивости к антибиотикам. Многие из этих генов активируются антибиотиками, чтобы помочь микробам выжить.
Системы CRISPR-Cas и гены устойчивости к антибиотикам также являются частью иммунной системы бактерий. Используя компьютерные методы, команда обнаружила новую систему CRISPR-Cas9 и 10 антимикробных пептидов — ещё одну важную часть иммунной системы различных организмов.
Противомикробные препараты, включая антибиотики, противовирусные, противогрибковые и противопаразитарные средства, — это лекарства, используемые для профилактики и лечения инфекций у людей, животных и растений. Однако, по данным Всемирной организации здравоохранения, растущая резистентность, вызванная чрезмерным использованием определённых препаратов, угрожает эффективной профилактике и лечению всё большего числа инфекций, поэтому существует необходимость в поиске новых типов.
Опубликовав результаты в журнале Nature в статье под названием «Глобальное морское микробное разнообразие и его потенциал для биопроспектинга», команда также обнаружила три фермента, способных разлагать распространённый пластик, загрязняющий океаны, — полиэтилентерефталат (ПЭТ), что является ещё одной серьёзной экологической и медицинской проблемой.
Лабораторные эксперименты подтвердили результаты, полученные с помощью океанской метагеномики, показав их потенциальную полезность. Ведущий автор из Великобритании Томас Мок, профессор морской микробиологии в Школе наук об окружающей среде UEA, заявил, что эта работа выводит область океанской метагеномики на «следующий уровень».
«Это исследование подчёркивает, как масштабное метагеномное секвенирование океанских микробиомов может помочь нам понять морское микробное разнообразие и его эволюцию, а также найти новые подходы к использованию этих знаний в биотехнологии и медицине», — сказал профессор Мок.
«Взаимодействие между морскими микробами и их средой лежит в основе глобальных процессов, таких как фиксация углерода и рециркуляция питательных веществ. Таким образом, эти взаимодействия способствуют обитаемости на Земле, поскольку океаны являются крупнейшей и наиболее значимой экосистемой на планете.
«Такие факторы, как солёность, перепады температур, доступность света и разница в давлении от поверхности до морского дна и от полюсов до тропиков, создают уникальные факторы отбора, влияющие на адаптацию и коэволюцию океанических микробов.
«Основываясь на этих выводах, наше исследование использует репозиторий морских микробных геномов, полученных из метагеномов, в качестве ключевого ресурса для геномного майнинга и биопроспектинга. Этот метод позволяет нам открывать новые генетические инструменты и биологически активные соединения».
Данные охватывают различные морские среды по всему миру, от полюса до полюса и от поверхности до самых глубоких океанических впадин. Таким образом, исследование значительно расширяет знания о морских микробиомах за счёт создания новой общедоступной базы данных, которая включает около 24 200 геномов на уровне видов.
«В то время как предыдущие исследования дали первоначальное представление о роли морских систем в поддержании биологического разнообразия, наша работа не только основывается на этих выводах, но и открывает новые возможности для устойчивого исследования и использования океанов, что давно назрело, учитывая глобальные вызовы, с которыми сталкивается человеческое общество на нашей планете», — сказал профессор Мок.
«Продвижение этой работы с помощью геномного майнинга океанских микробиомов на основе глубокого обучения в сочетании с биохимическими и биофизическими лабораторными экспериментами демонстрирует большой потенциал для решения глобальных проблем, таких как нехватка противомикробных препаратов и загрязнение океанов.
«Этот подход подчёркивает решающую роль морских микробиомов в улучшении благополучия человека и содействии экологической устойчивости».
Эта работа является частью стратегического альянса между UEA в Норидже и OUC в Циндао, поддерживающего интегративные подходы для развития науки и технологий в интересах устойчивого океана.